PCB科普：為啥PCB走線時最好不要出現(xiàn)銳角和直角？

　　射頻、高速數(shù)字電路：禁止銳角、盡量避免直角

　　如果是射頻線，在轉(zhuǎn)角的地方如果是直角，則有不連續(xù)性，而不連續(xù)性將易導(dǎo)致高次模的產(chǎn)生，對輻射和傳導(dǎo)性能都有影響。RF信號線如果走直角，拐角處的有效線寬會增大，阻抗不連續(xù)，引起信號反射。為了減小不連續(xù)性，要對拐角進(jìn)行處理，有兩種方法：切角和圓角。圓弧角的半徑應(yīng)足夠大，一般來說，要保證：R>3W。

　　銳角、直角走線

　　銳角走線一般布線時我們禁止出現(xiàn)，直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，那么直角走線究竟會對信號傳輸產(chǎn)生多大的影響呢?

　　從原理上說，銳角、直角走線會使傳輸線的線寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續(xù)。

　　線寬變化導(dǎo)致阻抗變化

　　當(dāng)走線的等效寬度變化的時候，會造成信號的反射。我們可以看到：

　　我們走線的時候，如果線寬發(fā)生變化，則會導(dǎo)致走線阻抗變化。

　　微帶線(microstrip line)

　　•它由一根帶狀導(dǎo)線與地平面構(gòu)成，中間是電介質(zhì)。如果電介質(zhì)的介電常數(shù)、線的寬度、及其與地平面的距離是可控的，則它的特性阻抗也是可控的，其精確度將在±5%之內(nèi)。

　　帶狀線(stripline)

　　帶狀線就是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶。如果線的厚度和寬度，介質(zhì)的介電常數(shù)，以及兩層接地平面的距離都是可控的，則線的特性阻抗也是可控的，且精度在10%之內(nèi)。

　　阻抗不連續(xù)就會反射

　　銳角最差，直角次之，鈍角再次之，圓角再次之，直線最好。

　　當(dāng)驅(qū)動器發(fā)射一個信號進(jìn)入傳輸線時，信號的幅值取決于電壓、緩沖器的內(nèi)阻和傳輸線的阻抗。驅(qū)動器端看到的初始電壓決定于內(nèi)阻和線阻抗的分壓。

　　反射系數(shù)

　　?其中-1≤ρ≤1

　　當(dāng)ρ=0時無反射發(fā)生

　　當(dāng)ρ=1(Z 2 =∞，開路)時發(fā)生全正反射

　　當(dāng)ρ=-1(Z 2 =0，短路)時發(fā)生全負(fù)反射

　　初始電壓，是源電壓Vs(2V)經(jīng)過Zs(25歐姆)和傳輸線阻抗(50歐姆)分壓。

　　Vinitial=1.33V

　　后續(xù)的反射率按照反射系數(shù)公式進(jìn)行計算

　　源端的反射率，是根據(jù)源端阻抗(25歐姆)和傳輸線阻抗(50歐姆)根據(jù)反射系數(shù)公式計算為-0.33;

　　終端的反射率，是根據(jù)終端阻抗(無窮大)和傳輸線阻抗(50歐姆)根據(jù)反射系數(shù)公式計算為1;

　　我們按照每次反射的幅度和延時，在最初的脈沖波形上進(jìn)行疊加就得到了這個波形，這也就是為什么，阻抗不匹配造成信號完整性不好的原因。

　　由于連接的存在、器件管腳、走線寬度變化、走線拐彎、過孔會使得阻抗不得不變化。所以反射也就不可避免。

　　除了反射還有什么原因么?

　　直角走線的對信號的影響就是主要體現(xiàn)在三個方面

　　一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時間;

　　二是阻抗不連續(xù)會造成信號的反射;

　　三是直角尖端產(chǎn)生的EMI。

　　四還有一種說法：銳角會在生產(chǎn)過程中，造成生產(chǎn)有腐蝕物殘留，不易加工，應(yīng)該對于目前的PCB加工工藝來說不是什么困難，不作為理由。

　　傳輸線的直角帶來的寄生電容可以由下面這個經(jīng)驗公式來計算：

　　C=61W(Er)1/2/Z0

　　在上式中，C就是指拐角的等效電容(單位：pF)，W指走線的寬度(單位：inch)，εr指介質(zhì)的介電常數(shù)，Z0就是傳輸線的特征阻抗。

　　舉個例子，對于一個4Mils的50歐姆傳輸線(εr為4.3)來說，一個直角帶來的電容量大概為0.0101pF，進(jìn)而可以估算由此引起的上升時間變化量：

　　T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps

　　通過計算可以看出，直角走線帶來的電容效應(yīng)是極其微小的。

　　由于直角走線的線寬增加，該處的阻抗將減小，于是會產(chǎn)生一定的信號反射現(xiàn)象，我們可以根據(jù)傳輸線章節(jié)中提到的阻抗計算公式來算出線寬增加后的等效阻抗，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算反射系數(shù)：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)，一般直角走線導(dǎo)致的阻抗變化在7%-20%之間，因而反射系數(shù)最大為0.1左右。而且，從下圖可以看到，在W/2線長的時間內(nèi)傳輸線阻抗變化到最小，再經(jīng)過W/2時間又恢復(fù)到正常的阻抗，整個發(fā)生阻抗變化的時間極短，往往在10ps之內(nèi)，這樣快而且微小的變化對一般的信號傳輸來說幾乎是可以忽略的。

　　很多人對直角走線都有這樣的理解，認(rèn)為尖端容易發(fā)射或接收電磁波，產(chǎn)生EMI，這也成為許多人認(rèn)為不能直角走線的理由之一。然而很多實際測試的結(jié)果顯示，直角走線并不會比直線產(chǎn)生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能，測試水平制約了測試的精確性，但至少說明了一個問題，直角走線的輻射已經(jīng)小于儀器本身的測量誤差。

　　總的說來，直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在非射頻及高速電路的應(yīng)用中，其產(chǎn)生的任何諸如電容，反射，EMI等效應(yīng)在TDR測試中幾乎體現(xiàn)不出來，高速PCB設(shè)計工程師的重點還是應(yīng)該放在布局，電源/地設(shè)計，走線設(shè)計，過孔等其他方面。當(dāng)然，盡管直角走線帶來的影響不是很嚴(yán)重，但并不是說我們以后都可以走直角線，注意細(xì)節(jié)是每個優(yōu)秀工程師必備的基本素質(zhì)，而且，隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展，PCB工程師處理的信號頻率也會不斷提高，到10GHz以上的RF設(shè)計領(lǐng)域，這些小小的直角都可能成為高速問題的重點對象。